光学和光子学 微透镜阵列 第3部分：光学特性测试方法

ICS31.260

L51

中华人民共和国国家标准

GB/T××××.3—XXXX

光学和光子学微透镜阵列

第3部分：光学特性测试方法

OpticsandphotonicsMicrolensarrayPart3:Testmethodsforoptical

properties

（ISO14880-3:2006，Opticsandphotonics-Microlensarrays-Part

3:Testmethodsforopticalpropertiesotherthanwavefrontaberrations，

MOD）

（征求意见稿）

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

1

GB/T41869.3-××××

何特性测试方法”，修改为“光学和光子学微透镜阵列第3部分：光学特性测试方法”；

请注意本文件的某些部分可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本文件由中国机械工业联合会提出。

本文件由全国光学和光子学标准化技术委员会（SAC/TC103）归口。

本文件起草单位：xxx、xxx、xxx。

本文件主要起草人：xxx

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GB/T41869.3—XXXX

引言

微透镜阵列是阵列光学器件中一类重要的光学元件，以单个透镜、两个或多个透镜阵列

的形式，广泛应用于三维显示、与阵列光辐射源和光探测器相关的耦合光学、增强液晶显示

和光并行处理器元件。随着科技不断进步，有必要制定一套技术内容与国际接轨的国家标准，

这样既有利于推动我国微透镜阵列行业规范有序发展，又能更好地促进相关贸易、交流和技

术合作。GB/T41869《光学和光子学微透镜阵列》就是在此背景下起草制定的，微透镜阵

列标准拟由以下几个部分组成。

——第1部分：术语。目的在于通过定义微透镜及其阵列的基本术语，促进微透镜阵列

产品的应用，有助于科研工作和行业从业者在共同理解的基础上交流。

——第2部分：波前像差的测试方法。目的在于通过规范波前像差的测试方法，明确微

透镜的基本特性。

——第3部分：光学特性测试方法。目的在于通过确定光学特性重要指标的测试方法，

为供货方产品交付提供依据。

——第4部分：几何特性测试方法。目的在于通过确定几何特性重要指标的测试方法，

提高不同供应商镜头阵列的兼容性和可互换性，并增强使用微透镜阵列的技术开发。

微透镜阵列系列标准是对微透镜术语、波前像差、光学特性和几何特性测试方法的规

范。本文件主要规定了微透镜阵列光学特性的测试方法，是在术语及波前像差的基础上，

进一步规范微透镜的重要学光参数的测试方法。

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GB/T41869.3-××××

光学和光子学微透镜阵列

第3部分：光学特性测试方法

1范围

本文件规定了微透镜的光学特性（波前像差以外的）的测试设备、测试程序、测量结果

处理等内容。

本文件适用于在表面浮雕结构微透镜和梯度折射率微透镜。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期

的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改单）适用于本文件。

GB/T41869.1光学和光子学微透镜阵列第1部分：术语

GB/T2831光学零件的面形偏差

3术语定义

GB/T41869.1中给出的术语和定义适用于本文件。

4基板测试

基底的光学质量对微透镜定义的焦点位置的质量有贡献，应按照ISO10110-5进行量

化。

5测试方法

5.1测试原理

通过光学手段对被测微透镜表面进行定位。通过测量定位焦点位置所需的轴向位移来确

定有效后(前)焦距。

微透镜的测试原理类似于大透镜的测试。然而，在许多情况下，微小透镜的测量存在实

际问题，难以使用标准设备。一般来说，可以采用两种光学技术。一种是基于显微术，另一

种是基于干涉术。

第一种技术是利用显微镜通过聚焦来定位微透镜的顶点。有效后(前)焦距是通过测量显

微镜在远场源图像上重新聚焦所需的位移来推导的，如图1所示。

显微镜中的聚焦辅助装置，如分视场聚焦光栅，使微透镜的无特征顶点在用反射光观察

时更容易定位。对于焦距测量，远场点光源可以是光纤的发射尖端或照明的测试光栅。测试

可采用白光或单色光照明。

第二种波前测量技术使用波前传感来定位测试表面或曲率中心。定位测试可借助以下设

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GB/T41869.3—XXXX

备之一进行：

a)斐索干涉仪

b)泰曼-格林干涉仪

c)横向剪切干涉仪；

d)沙克-哈特曼设备。

GB/T41869.2-2022和ISO/TR14999-1中对此作了更全面的描述。干涉法的一个优点

是对于强像差透镜，通过干涉图可以很容易地推断出焦距随孔径半径的变化。缺点是测试受

限于干涉仪光源的波长。

标引序号说明：

1——远点源；

2——基板和微透镜产生聚焦点；

3——显微物镜；

4——显微镜轴向调整，以定位透镜表面和焦点

5——分束器；

6——透镜表面定位光源；批注[l1]:透镜表面聚焦位置的光源；

7——电荷耦合设备（CCD）摄像机。

图1用于测量微透镜有效后焦距或前焦距的光路示意图

5.2测试方法选择

第5至9章侧重于显微镜技术，而波前测量技术见附录A到附录D,附录A规定基于斐

索干涉原理的微透镜有效前后焦距测量方法，附录B规定了基于共焦成像原理的微透镜阵

列有效前后焦距测量方法，附录C规定了微透镜点扩散函数及MTF曲线测量方法，附录D规

定了基于哈特曼波前传感器的微透镜阵列焦距均匀性测量方法。

焦距测试方法选择，对于焦距测量精度要求不高，而且对测量设备成本限制较大的情况

下，采用显微镜测量法是较为便捷的方法。受限测量光学系统的设计和制作难度，对于数值

孔径较大、曲面边缘较为陡峭（通常大于30°）的微透镜阵列，同时精度要求较高的情况

下，采用共焦测量技术为较为合适的方案。对于数值孔径较小、曲面边缘较为平缓（通常小

于30°）的微透镜，采用干涉测量法可以获得较高的测量精度

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5.3测试设备

5.3.1总则

测试系统由装有位移传感器的显微镜、合适的光源、测试对象、显微镜摄像机、监视器

和图像分析仪（线扫描）组成。

5.3.2显微镜

显微镜符合以下要求：

1）需要配备对焦辅助装置（如分割图像测距仪）的显微镜，以便在无特征表面（如微

透镜表面的顶点）上进行对焦设置；

2）机械设计应允许将远距离点光源或测试光栅放置在载有测试透镜的载物台下方。理

想情况下，测试透镜与远处点光源或测试光栅之间不需要额外的光学元件，如玻璃

板；

3）用校准后的位移传感器测量测试面相对于显微镜物镜的位移；

4）显微镜物镜的数值孔径(NA)应大于测试透镜在焦点处的数值孔径。

5.3.3光源

光源符合以下要求：

1）辐射的光源发射波段应使用在测试所需的波长或特定波长的波段内发射辐射的光

源；

2）应在实验结果报告中说明光源的特性；

3）白光可以由石英卤素灯结合合适的光阑提供；

4）在需要限制波长范围的情况下，可以使用窄带滤波器；

5）激光可用于单色照明和更高的强度。

5.3.4测试对象

测试对象符合以下要求：

a）可以采用远场点光源作为成像物体，远场点光源可以用光纤出射端近似。远距离的

点光源应与透镜一起放置在轴线上并保持有效的长距离，以使焦距得以确定；

b）测试对象可以是一个网格，来研究特定的空间频率和视场角下的光学特性；

c）探测器阵列采样频率足够；

d）所使用的成像物体特性应在测试报告文档中说明。

5.3.5图像显示

图像显示符合以下要求：

a)如果显微镜产生的图像被摄像机中继到视频显示器上，可以使用电子强度显示器来辅

助定位最佳焦点的位置；

b)应调整探测器处的图像强度，以保持来自探测器系统的线性响应。

5.3.6标准表面

标准表面符合以下要求：

a）利用在特定波长下已知焦距的微透镜作为标准件，来验证和校准测量系统的性能；

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b）利用已知高度的台阶样品作为标准件，来验证和标定位移测量系统的性能。

5.4测试程序

5.4.1准备

准备工作如下：

1）为了达到一致的结果，测试设备应保持在温度控制的环境中，最好在20°C±2℃，

不应暴露在振动中；

2）待测试的光学表面应清洁。未镀膜的玻璃表面可以用酒精和棉毛安全地清洗。棉纤

维在接触表面之前应先在极少量的溶剂中浸泡，在光学表面仅擦拭一次后丢弃。这

样可以最大限度地减少划伤表面的机会。粉尘可以使用干净的驼毛刷或过滤的压缩

空气去除；

3）镀膜光学表面（如防反射表面）应非必要不清洁。它们可以使用过滤的压缩空气进

行除尘；

4）应按指导正确使用溶剂和清洁材料。

5.4.2总则

清洁待测透镜和基板的表面。

5.5测量有效后焦或前焦距

测量有效后焦距或前焦距的步骤如下：

a）标准仪器校准程序应定期进行，并对校准不确定度进行估计[4]；

b）验证测试系统的性能，如下所述，测量标准球面的有效后（前）焦距，并将结果与

已知值进行比较；

c）显微镜聚焦在微透镜的表面，然后移位聚焦在放置在无穷远处的光栅或点光源的图

像上。该图像的最佳聚焦位置可以通过相机定位，光导摄像管通过线扫描显示，确

定图像中峰值强度最大的位移位置，相机系统的空间分辨率应足以分辨图像；

d）轴向位移使用位移传感器进行测量。

5.6测量色差

a）一般来说，微透镜相对简单，不校正色差。焦距会随着照明波长的变化而变化；

b）对于传统透镜，光线在两个折射率截然不同的光学介质之间的接口处折射而偏离。

对于球面焦距f和曲率半径R符合以下关系：

（1）

其中n1（λ）和n2（λ）是在波长λ下，界面两边的介质折射率。微透镜的色差由两种介

质（n1（λ）和(n2（λ）)的分散特性决定。

光学材料色散的传统特征化方法是色散系数，国内光学行业多采用阿贝数表示,其定义

包括三个波长的材料折射率的值，即d光-波长587.6nm，F光-波长486.1nm,C光-波长在

656.3nm。

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푣푑=(푛푑−1)/(푛퐹−푛퐶)(2)

阿贝数通常介于20和60之间。阿贝数较高的材料比阿贝数较低色散较少。

微透镜材料的阿贝数可以通过测量相应波长的焦距并组合公式（1）和（2）确定，

即：

푣푒푓푓（1/푓푑）/(1/푓퐹−1/푓퐶)(3)

实际使用过程中，也可根据使用激光源的波长定义色散系数。微透镜的焦距使用单色照

明在6.2中测量。然后，使用不同波长的单色照明重复测量，以推导出被定义为的色差。

(4)

式中：

Sz（λ）——轴向焦点位置；

λ1、λ2——照明波长；

获得的值与微透镜实际应用中的性能有关，需要考虑基板的色散。此方法涉及测量焦距

与波长的微小变化，必须尽可能准确地测量焦距，以减少阿贝数的不确定性。

5.7测量焦点位置均匀性

微透镜阵列通常用于波前测量，如夏克-哈特曼传感器。焦点位置在光轴的横向偏移表

示被测波面局部倾斜的角度。因此，微透镜阵列均匀性的可靠数据对于精确的波前测量至关

重要。微透镜阵列的焦点位置偏移差异决定了阵列的均匀性。

测试设置见附录D。

6结果和不确定度

应计算和记录一组焦距测量值的平均值，对一组测量值的方差进行统计分析，并对标准

差进行无偏估计。这是为了确定A类对扩展不确定度(见参考文献[4])的贡典型的不确定性

来源见表1。

表1不确定性来源表

来源类型不确定性极值

焦距测量A根据一组（通常为九个）测量值校准

校准A/B因仪器和校准方法而不同

通过在测量过程中监测温度和相对湿度值，使得设备在室温下工作。通过将位移传感

器布置在尽可能靠近光轴的位置进行测量，使阿贝偏移误差最小。

7耦合效率、成像质量

微透镜通常用于微小光源的光耦合，将光聚焦到微小孔径或将光耦合到光纤中。在其他

应用中，微透镜也用于成像。关于微透镜阵列的耦合效率和成像质量的评价见附录C。

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8测试报告

测试结果应予记录，如适用，并应包括以下信息：

a）一般信息：

1）测试已按照GB/T41869.3-XXXX执行；

2）校准日期、校准程序和校准不确定性评估；

3）测试日期：

4）测试机构的名称和地址；

5）认证（如果相关）；

6）执行测试的个人的姓名；

b）有关被测微透镜的信息：

1）微透镜类型；

2）制造商；

3）型号；

4）序列号；

c）环境测试条件：

1）温度；

2）相对湿度；

d）关于测试和评估的信息：

1）使用的测试方法；

2采用的光学系统；

3）光源：

i）光源类型；

ii）波长；

4）使用的位移传感器；

e）测试结果：

1）有效后焦距；

2）有效的前焦距；

3）焦点位置偏移ΔSx和ΔSy；

4）色差：ΔSz；

5）不确定度表。

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附件A

（资料性）

波前测量系统的测量

A.1干涉仪测量原理

测量微透镜焦距的方法有多种多样[5]。可以使用干涉仪定位微透镜表面的顶点，并找

到最佳对焦位置，并使用线性位移传感器进行长度测量，从而计算微透镜焦距。测量设备

可为以下之一：

a)斐索干涉仪；

b)泰曼-格林干涉仪；

c)横向剪切干涉仪；

d)夏克-哈特曼设备。

这里以斐索干涉仪的使用为例加以说明。相干光源的准直光束从平面参考面部分反

射，产生参考波前。透射光被高质量透镜聚焦到一个光斑上，这个光斑用来探测透镜表面

和焦点的位置。对干涉图样进行监测，确定两个位置。

注：对于畸变较大的微透镜，GB/T41869.1中定义的有效焦距可能与基于波前像差标准测量的值存在明

显差异。

A.2测量布置和测试设备

斐索干涉仪如图A.1所示。

标引序号说明：

1——相干光源和准直器；

2——分束器；

3——参考平面；

4——高品质显微镜目镜；

5——被测微透镜；

6——光学平面。

图A.1斐索干涉仪

原则上，可用于测试传统尺寸镜片的干涉仪也适合使用微透镜进行测量。实际测量过

程中，由于微透镜较小，为了聚焦于待测微结构表面，需要较高放大倍率的测量物镜，距

离被测面较近的次表面杂散反射也会干扰测量结果。需要专为微表面设计的干涉仪克服这

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些问题[6]。注意将光学平面尽可能靠近被测微透镜，以尽量减少孔径衍射误差，并将微透

镜阵列聚焦到探测器阵列上。

A.3有效后焦或前焦距测量

为了测量焦距，被测微透镜位于测量光路光轴上以便于准直。利用高质量平面镜或光学

平面反射光线，反射光与参考波前结合形成干涉图样。建议首先将平面镜对准，调节平面镜，

直到干扰模式为零，即强度均匀分布。然后插入显微镜物镜和微透镜阵列，调整微透镜的轴

向位置，直到干扰图样再次消失。或者，可以在两个波面之间引入一个小倾角，以产生干扰

条带的图样，并通过调整微透镜的轴向位置进行设置，直到条带是直线、平行和等距的。

然后，被测的微透镜沿轴向移动，直到探测光束聚焦在镜头表面。在此位置，光线部分

通过猫眼光路反射回到干涉仪，形成带状图案。调整微透镜，直到条带图样是名义上直线或

消失。

焦距测量可从被测微透镜在以上两个位置间的位移推导出，位移测量可以通过激光长度

测量干涉仪进行。

注：在实践中，很少获得完全直线干涉条带。被测透镜中的畸变效果是引入干涉条带的弯曲，这些干

干涉条带将视场而异。测试系统（特别是猫眼光路）中的残余畸变也可能很明显。

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附件B

（规范性）

微透镜阵列有效后焦距或前焦距的共聚焦测量

B.1测量原理

阵列中的单个透镜的有效后（前）焦距也可以使用共聚焦原理进行测量，如图B.1所

示。光经过阵列中的单透镜聚焦，通过平面镜和分束镜反射，然后经过聚焦透镜及针孔入射

到探测器表面，当平面镜位于微透镜焦点位置A处于焦点位置时，通过针孔的光能最大，移

动当平面镜到B的位置，使得微透镜焦点反射到微透镜顶点，此时通过针孔的光强达到另一

个最大值。两个位置之间的距离是微透镜有效焦距的一半。

标引序号说明：

1——A面镜位置

2——B面镜表面位置

3——微透镜

4——分束器

5——聚焦透镜

6——针孔

7——探测器

图B.1微透镜阵列有效焦距的测量

B.2微透镜阵列测量系统

如图B.2所示，依次将位移传感器、平面镜和位置可调的共焦光学系统进行安装调整。

平面反射镜在微透镜阵列焦平面和微透镜阵列表面之间，沿轴向调整位置，直到针孔传输光

能最大。利用探测器阵列（例如CCD）扫描检测每个微透镜孔径光束的空间分布，并记录每

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个子透镜在CCD像面最大光强的位置。

标引序号说明：

1——位于微透镜阵列焦平面处的镜面；

2——微透镜阵列；

3——分束器；

4——聚焦透镜；

5——针孔；

6——探测器阵列。

图B.2微透镜阵列的有效后焦或前焦距测量

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附件C

（资料性）

耦合效率、成像质量

C.1耦合效率

微透镜在光耦合功能中也有广泛应用，例如微小光源的耦合，光纤耦合及探测器耦合等，

特别是光通信网络中有着重要应用。光耦合应用中，耦合效率是其中关键的技术指标，该指

标通常由接收光功率和入射光功率的比值表示。聚焦点的大小是耦合效率的重要影响因素，

聚焦光斑由聚焦波前、波前畸变、照明波长下的数值孔径，及于纤的输入特性所决定。为了

获得较高的耦合效率，需要考虑光纤数值孔径匹配的问题[7]。

当聚焦光斑偏离理想点扩散函数时，光场能量将分布在更大的区域，可以采用斯特列尔

比来表示光束质量，即实际点扩散函数与理想点扩散函数的光强比率[8]，并用几何斯特列

尔比近似表示

其中σ是对应波长波前畸变的均方根。

波前畸变可很容易通过如GB/T41869.2所述的干涉测量方法实现，利用现代波前分析

软件从干涉图计算斯特列尔比。

C.2成像质量

微透镜阵列在3D成像、光场成像等应用领域也有较多涉及。评价微透镜阵列的成像质

量包括分辨率和调制传递函数（MTF）两种指标。分辨率的测试是通过微透镜对分辨率测试

图进行成像，然后利用显微镜检测来量化图像的质量。调制传递函数可以通过特殊仪器进行

测量，利用微透镜对小狭缝进行成像，然后将该图像进行傅立叶分析。MTF也可以根据ISO

14880-2中所述的干涉测量的波前分析进行计算。MTF测量在ISO15529[3]中描述。

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附件D

（规范性）

微透镜阵列焦点位置均匀性的测量

D.1测量原理

通过比较焦点位置的坐标和孔径中心位置的坐标，获得焦点位置偏移量。

微透镜阵列中每个子透镜（如GB/T41869.1中定义的）的焦点位置偏移通过在夏克-哈

特曼测试设置中用参考平面波平行照射阵列获得。参考平面波的质量需要通过剪切干涉等方

法进行测试。

D.2测量布置和测试设备

夏克-哈特曼测量光路布局如图D.1所示。

标引序号说明：

1——参考平面波；

2——被测微透镜阵列；

3——探测器阵列。

图D.1焦点位置均匀性测量

D.3焦点位置均匀性测量

探测器位于微透镜阵列的有效后焦面，记录每个焦点的坐标。

将焦点位置的坐标与孔径中心位置的坐标进行比较，以获得阵列内每个透镜的焦点位置

偏移量ΔSx和ΔSy。

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参考文献

[1]ISO14880-2，光学和光子学微透镜阵列第2部分：波前像差测试方法

[2]ISO/TR14999-1，光学和光子学测量光学元件和光学系统的干涉测量第1部分：定

义和基本关系

[3]ISO15529，光学和光学仪器光传输功能采样成像系统的模块化传输功能（MTF）测

量原理

[4]测量中不确定性表达指南（GUM）、BIPM、IEC、IFCC、ISO、IUPAC、IUPAP、OIML，

1993年更正和重印

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前言

本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规

则》的规定起草。

本文件是GB/T41869《光学和光子学微透镜阵列》的第3部分，GB/T41869已经发布

了以下部分：

——光学和光子学微透镜阵列第1部分：术语；

——光学和光子学微透镜阵列第2部分：波前像差的测试方法；

——光学和光子学微透镜阵列第3部分：光学特性测试方法；

——光学和光子学微透镜阵列第4部分：几何特性测试方法；

本文件修改采用ISO14880-3:2006《光学和光子学微透镜阵列第3部分：除波前像

差外的光学特性测试方法》。本文件与ISO14880-3:2006相比做了下述结构调整：

——5.1对应ISO14880-3:2006的5.1和5.2.1；

——5.3对应ISO14880-3:2006的5.2.2；

——5.3.1对应ISO14880-3:2006的5.2.2.1；

——5.3.2对应ISO14880-3:2006的5.2.2.2；

——5.3.3对应ISO14880-3:2006的5.2.2.3；

——5.3.4对应ISO14880-3:2006的5.2.2.4；

——5.3.5对应ISO14880-3:2006的5.2.2.5；

——5.3.6对应ISO14880-3:2006的5.2.2.6；

——5.4.1对应ISO14880-3:2006的5.3；

——5.4.2对应ISO14880-3:2006的6.1；

——5.5对应ISO14880-3:2006的6.2；

——5.6对应ISO14880-3:2006的6.3；

——5.7对应ISO14880-3:2006的6.4；

——第6章对应ISO14880-3:2006的第7章；

——第7章对应ISO14880-3:2006的第8章；

——第8章对应ISO14880-3:2006的第9章。

本文件与ISO14880-3:2006的技术差异和原因如下：

——规范性引用文件用GB/T41869.1代替ISO14880-1；

——规范性引用文件用GB/T2831代替ISO10110-5；

——增加5.2测量方法的选择，由于国际标准中针对微透镜有效焦距测量，介绍了多种

方法，增加测量方法选择章节，有助于界定各种方法最合适的应用场景；

——增加5.4章测试程序，根据GB/T1.1-2020中对测试方法的编写要求增加该章节；

——删除ISO14880-3:2006的第6章；

本文件与ISO14880-3:2006相比，做了下述编辑性修改：

——标准名称原英文名称为“光学和光子学微透镜阵列第3部分：除波前像差外的几

2

GB/T41869.3-××××

光学和光子学微透镜阵列

第3部分：光学特性测试方法

1范围

本文件规定了微透镜的光学特性（波前像差以外的）的测试设备、测试程序、测量结果

处理等内容。

本文件适用于在表面浮雕结构微透镜和梯度折射率微透镜。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期

的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改单）适用于本文件。

GB/T41869.1光学和光子学微透镜阵列第1部分：术语

GB/T2831光学零件的面形偏差

3术语定义

GB/T41869.1中给出的术语和定义适用于本文件。

4基板测试

基底的光学质量对微透镜定义的焦点位置的质量有贡献，应按照ISO10110-5进行量

化。

5测试方法

5.1测试原理

通过光学手段对被测微透镜表面进行定位。通过测量定位焦点位置所需的轴向位移来确

定有效后(前)焦距。

微透镜的测试原理类似于大透镜的测试。然而，在许多情况下，微小透镜的测量存在实

际问题，难以使用标准设备。一般来说，可以采用两种光学技术。一种是基于显微术，另一

种是基于干涉术。

第一种技术是利用显微镜通过聚焦来定位微透镜的顶点。有效后(前)焦距是通过测量显

微镜在远场源图像上重新聚焦所需的位移来推导的，如图1所示。

显微镜中的聚焦辅助装置，如分视场聚焦光栅，使微透镜的无特征顶点在用反射光观察

时更容易定位。对于焦距测量，远场点光源可以是光纤的发射尖端或照明的测试光栅。测试

可采用白光或单色光照明。

第二种波前测量技术使用波前传感来定位测试表面或曲率中心。定位测试可借助以下设

1

GB/T41869.3—XXXX

备之一进行：

a)斐索干涉仪

b)泰曼-格林干涉仪

c)横向剪切干涉仪；

d)沙克-哈特曼设备。

GB/T41869.2-2022和ISO/TR14999-1中对此作了更全面的描述。干涉法的一个优点

是对于强像差透镜，通过干涉图可以很容易地推断出焦距随孔径半径的变化。缺点是测试受

限于干涉仪光源的波长。

标引序号说明：

1——远点源；

2——基板和微透镜产生聚焦点；

3——显微物镜；

4——显微镜轴向调整，以定位透镜表面和焦点

5——分束器；

6——透镜表面定位光源；批注[l1]:透镜表面聚焦位置的光源；

7——电荷耦合设备（CCD）摄像机。

图1用于测量微透镜有效后焦距或前焦距的光路示意图

5.2测试方法选择

第5至9章侧重于显微镜技术，而波前测量技术见附录A到附录D,附录A规定基于斐

索干涉原理的微透镜有效前后焦距测量方法，附录B规定了基于共焦成像原理的微透镜阵

列有效前后焦距测量方法，附录C规定了微透镜点扩散函数及MTF曲线测量方法，附录D规

定了基于哈特曼波前传感器的微透镜阵列焦距均匀性测量方法。

焦距测试方法选择，对于焦距测量精度要求不高，而且对测量设备成本限制较大的情况

下，采用显微镜测量法是较为便捷的方法。受限测量光学系统的设计和制作难度，对于数值

孔径较大、曲面边缘较为陡峭（通常大于30°）的微透镜阵列，同时精度要求较高的情况

下，采用共焦测量技术为较为合适的方案。对于数值孔径较小、曲面边缘较为平缓（通常小

于30°）的微透镜，采用干涉测量法可以获得较高的测量精度

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5.3测试设备

5.3.1总则

测试系统由装有位移传感器的显微镜、合适的光源、测试对象、显微镜摄像机、监视器

和图像分析仪（线扫描）组成。

5.3.2显微镜

显微镜符合以下要求：

1）需要配备对焦辅助装置（如分割图像测距仪）的显微镜，以便在无特征表面（如微

透镜表面的顶点）上进行对焦设置；

2）机械设计应允许将远距离点光源或测试光栅放置在载有测试透镜的载物台下方。理

想情况下，测试透镜与远处点光源或测试光栅之间不需要额外的光学元件，如玻璃

板；

3）用校准后的位移传感器测量测试面相对于显微镜物镜的位移；

4）显微镜物镜的数值孔径(NA)应大于测试透镜在焦点处的数值孔径。

5.3.3光源

光源符合以下要求：

1）辐射的光源发射波段应使用在测试所需的波长或特定波长的波段内发射辐射的光

源；

2）应在实验结果报告中说明光源的特性；

3）白光可以由石英卤素灯结合合适的光阑提供；

4）在需要限制波长范围的情况下，可以使用窄带滤波器；

5）激光可用于单色照明和更高的强度。

5.3.4测试对象

测试对象符合以下要求：

a）可以采用远场点光源作为成像物体，远场点光源可以用光纤出射端近似。远距离的

点光源应与透镜一起放置在轴线上并保持有效的长距离，以使焦距得以确定；

b）测试对象可以是一个网格，来研究特定的空间频率和视场角下的光学特性；

c）探测器阵列采样频率足够；

d）所使用的成像物体特性应在测试报告文档中说明。

5.3.5图像显示

图像显示符合以下要求：

a)如果显微镜产生的图像被摄像机中继到视频显示器上，可以使用电子强度显示器来辅

助定位最佳焦点的位置；

b)应调整探测器处的图像强度，以保持来自探测器系统的线性响应。

5.3.6标准表面

标准表面符合以下要求：

a）利用在特定波长下已知焦距的微透镜作为标准件，来验证和校准测量系统的性能；

3

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b）利用已知高度的台阶样品作为标准件，来验证和标定位移测量系统的性能。

5.4测试程序

5.4.1准备

准备工作如下：

1）为了达到一致的结果，测试设备应保持在温度控制的环境中，最好在20°C±2℃，

不应暴露在振动中；

2）待测试的光学表面应清洁。未镀膜的玻璃表面可以用酒精和棉毛安全地清洗。棉纤

维在接触表面之前应先在极少量的溶剂中浸泡，在光学表面仅擦拭一次后丢弃。这

样可以最大限度地减少划伤表面的机会。粉尘可以使用干净的驼毛刷或过滤的压缩

空气去除；

3）镀膜光学表面（如防反射表面）应非必要不清洁。它们可以使用过滤的压缩空气进

行除尘；

4）应按指导正确使用溶剂和清洁材料。

5.4.2总则

清洁待测透镜和基板的表面。

5.5测量有效后焦或前焦距

测量有效后焦距或前焦距的步骤如下：

a）标准仪器校准程序应定期进行，并对校准不确定度进行估计[4]；

b）验证测试系统的性能，如下所述，测量标准球面的有效后（前）焦距，并将结果与

已知值进行比较；

c）显微镜聚焦在微透镜的表面，然后移位聚焦在放置在无穷远处的光栅或点光源的图

像上。该图像的最佳聚焦位置可以通过相机定位，光导摄像管通过线扫描显示，确

定图像中峰值强度最大的位移位置，相机系统的空间分辨率应足以分辨图像；

d）轴向位移使用位移传感器进行测量。

5.6测量色差

a）一般来说，微透镜相对简单，不校正色差。焦距会随着照明波长的变化而变化；

b）对于传统透镜，光线在两个折射率截然不同的光学介质之间的接口处折射而偏离。

对于球面焦距f和曲率半径R符合以下关系：

（1）

其中n1（λ）和n2（λ）是在波长λ下，界面两边的介质折射率。微透镜的色差由两种介

质（n1（λ）和(n2（λ）)的分散特性决定。

光学材料色散的传统特征化方法是色散系数，国内光学行业多采用阿贝数表示,其定义

包括三个波长的材料折射率的值，即d光-波长587.6nm，F光-波长486.1nm,C光-波长在

656.3nm。

4

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푣푑=(푛푑−1)/(푛퐹−푛퐶)(2)

阿贝数通常介于20和60之间。阿贝数较高的材料比阿贝数较低色散较少。

微透镜材料的阿贝数可以通过测量相应波长的焦距并组合公式（1）和（2）确定，

即：

푣푒푓푓（1/푓푑）/(1/푓퐹−1/푓퐶)(3)

实际使用过程中，也可根据使用激光源的波长定义色散系数。微透镜的焦距使用单色照

明在6.2中测量。然后，使用不同波长的单色照明重复测量，以推导出被定义为的色差。

(4)

式中：

Sz（λ）——轴向焦点位置；

λ1、λ2——照明波长；

获得的值与微透镜实际应用中的性能有关，需要考虑基板的色散。此方法涉及测量焦